林發(fā)駒,吳 紅,王西江,陳 雨,陳曉娟

(攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司,四川成都610303)

海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)用大口徑厚壁X70Q PSL2無(wú)縫鋼管的研制

林發(fā)駒,吳 紅,王西江,陳 雨,陳曉娟

(攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司,四川成都610303)

浩瀚的海洋蘊(yùn)藏著豐富的資源,世界各國(guó)都在加快海洋資源開(kāi)發(fā)和利用。作為開(kāi)采海洋油氣資源重要設(shè)施之一的自升式鉆井平臺(tái),其結(jié)構(gòu)支撐管采用大口徑厚壁高鋼級(jí)的無(wú)縫鋼管,目前主要依賴于進(jìn)口。為了減少對(duì)進(jìn)口的依賴,實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化,攀成鋼公司根據(jù)自身的工藝裝備情況,并針對(duì)海洋鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)支撐管的服役條件及特點(diǎn),通過(guò)對(duì)化學(xué)成分設(shè)計(jì)及軋制工藝、熱處理工藝的研究,成功開(kāi)發(fā)出大口徑厚壁海洋鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)支撐管用X70Q PSL2無(wú)縫鋼管,其綜合性能優(yōu)良,完全滿足用戶的設(shè)計(jì)和使用要求。

海洋資源;鉆井平臺(tái);大口徑厚壁;綜合性能

1 引言

浩瀚的海洋蘊(yùn)藏著豐富的資源,主要包括海洋礦產(chǎn)資源、海洋可再生能源、海洋化學(xué)資源、海洋生物資源和海洋空間資源等五大類。以海洋油氣資源為代表的海洋礦產(chǎn)資源是當(dāng)前世界海洋資源開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)和熱點(diǎn),技術(shù)相對(duì)成熟,裝備種類多,數(shù)量規(guī)模較大,是未來(lái)5～10年產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向。面對(duì)海洋資源開(kāi)發(fā)這一不斷成長(zhǎng)的新興市場(chǎng),世界各國(guó)都在加快海洋資源開(kāi)發(fā)和利用。

作為開(kāi)采海洋油氣資源重要設(shè)施的海洋平臺(tái),是在海上進(jìn)行鉆井、采油、集運(yùn)、觀測(cè)、導(dǎo)航、施工等活動(dòng)提供生產(chǎn)和生活設(shè)施的構(gòu)筑物,按其結(jié)構(gòu)特性和工作狀態(tài)可分為固定式、活動(dòng)式和半固定式三大類。自升式鉆井平臺(tái)屬于活動(dòng)式海洋平臺(tái)之一,其結(jié)構(gòu)支撐管采用大口徑高鋼級(jí)的無(wú)縫鋼管,鋼級(jí)為NV E550、NV E690、X70、X80、X100、Q620、Q690等,目前主要依賴于進(jìn)口。為了減少進(jìn)口的依賴,實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化,急需對(duì)這部分無(wú)縫鋼管進(jìn)行研制與開(kāi)發(fā)。

攀成鋼公司根據(jù)自身的工藝裝備情況并結(jié)合用戶提出的要求,針對(duì)海洋鉆井平臺(tái)的結(jié)構(gòu)支撐管服役條件及特點(diǎn),通過(guò)對(duì)化學(xué)成分設(shè)計(jì)及軋制工藝、熱處理工藝的研究,成功開(kāi)發(fā)出大口徑厚壁海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)支撐管用X70Q PSL2無(wú)縫鋼管。

本文將重點(diǎn)介紹攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司開(kāi)發(fā)的自升式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)支撐管用大口徑厚壁?405mm×51mm規(guī)格X70Q PSL2無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品特點(diǎn)。

2 主要技術(shù)條件

2.1 化學(xué)成分

熔煉分析及產(chǎn)品分析的化學(xué)成分應(yīng)符合API 5L 45th中表J.1中X70Q的要求,允許加入0.002 5%以下的B元素。

2.2 碳當(dāng)量(CEpcm和CEIIw)要求

碳當(dāng)量的計(jì)算公式應(yīng)根據(jù)API 5L 45th中9.2.4執(zhí)行,CEpcm≤0.25%,CEIIW≤0.42%。

2.3 鋼管的力學(xué)性能符合表1的要求

2.4 鋼管幾何尺寸要求見(jiàn)表2

表1 力學(xué)性能

表2 幾何尺寸

3 生產(chǎn)工藝線設(shè)計(jì)

鐵水脫硫→電爐→LF鋼包精煉爐→VD真空精煉→鋼錠→環(huán)形爐加熱→穿孔→508皮爾格軋機(jī)軋制→冷床冷卻→調(diào)質(zhì)熱處理(508淬火+合金回火)→性能檢驗(yàn)→外表面整體修磨→探傷(超探、分層、測(cè)厚)→外觀檢查→包裝入庫(kù)

4 化學(xué)成分優(yōu)化設(shè)計(jì)

自升式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)支撐管需要承載重量大,且工作環(huán)境惡劣,要求所采用的無(wú)縫鋼管外徑大、壁厚厚、高強(qiáng)度和高低溫韌性,因此合理設(shè)計(jì)鋼種的化學(xué)成分,確保強(qiáng)度及低溫韌性滿足使用要求是研究的重點(diǎn)之一。項(xiàng)目組結(jié)合前期我公司生產(chǎn)大口徑厚壁NV E550海洋工程用無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),重點(diǎn)對(duì)Ni、Cr、Mo、V、Nb、B等各種合金元素的強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析,優(yōu)化設(shè)計(jì)了大口徑厚壁X70Q PSL2無(wú)縫鋼管的化學(xué)成分,其最大特點(diǎn)在于:

(1)添加了對(duì)低溫沖擊韌性有很大改善的Ni元素,使鋼管經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后在保證高強(qiáng)度的情況下具有良好的低溫沖擊韌性。

(2)通過(guò)適量提高M(jìn)o的含量來(lái)保證鋼管的強(qiáng)度和回火穩(wěn)定性不下降。

(3)通過(guò)添加適量的V和Nb元素,利用兩種元素的細(xì)化晶粒和析出強(qiáng)化的復(fù)合作用,提高鋼管的強(qiáng)度和低溫沖擊韌性。

(4)在冶煉時(shí)加入了1kg/t鈦鐵進(jìn)行了微鈦處理,主要目的是細(xì)化晶粒,提高鋼的強(qiáng)度,改善鋼的冷成形性能和焊接性能。

(5)通過(guò)添加適量的B元素,提高鋼管的淬透性。

優(yōu)化設(shè)計(jì)的X70Q PSL2化學(xué)成分如下表3。

表3 X70Q PSL2鋼管化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

5 關(guān)鍵技術(shù)的控制

5.1 冶煉工藝

針對(duì)自升式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)支撐用無(wú)縫鋼管的特點(diǎn),采用“電爐→LF爐→VD真空處理→模鑄”冶煉工藝。在冶煉過(guò)程中,關(guān)鍵是脫氧、合理的合金加入順序、合金加入量、中包鋼液過(guò)熱度的控制及鑄坯冷卻速度的控制,具體應(yīng)按以下要求控制:

鋼包、中間包在使用前必須將殘鋼、殘?jiān)謇砀蓛?必須做好爐前終點(diǎn)碳的控制,不能過(guò)氧化和超低碳出鋼;澆注過(guò)程中應(yīng)注意控制注速并做好補(bǔ)縮工作,防止軋制過(guò)程中出現(xiàn)因二次縮孔或疏松導(dǎo)致的內(nèi)表面缺陷。LF爐精煉必須做到白渣出鋼,保持底吹A(chǔ)r暢通,控制吹A(chǔ)r強(qiáng)度;VD爐必須控制好真空度和保持時(shí)間,保證爐渣不再明顯發(fā)泡,同時(shí)必須做好中間包長(zhǎng)水口Ar保護(hù),防止鋼水二次氧化。模鑄時(shí)選用內(nèi)表面質(zhì)量好的鋼錠模,作好刷模工作,澆鑄系統(tǒng)采用優(yōu)質(zhì)耐火材料,并進(jìn)行抽砂、吹灰,采用氬氣保護(hù)澆鑄。

5.2 制管工藝

(1)為保證鋼管的外表面質(zhì)量,避免產(chǎn)生麻面等缺陷,要求在軋制過(guò)程中嚴(yán)格控制坯料的加熱溫度,最高不宜超過(guò)1 260℃。

(2)穿孔過(guò)程中,要求專人監(jiān)控穿孔后毛管內(nèi)表面質(zhì)量,若發(fā)現(xiàn)有內(nèi)折缺陷,應(yīng)立即停止出料并進(jìn)行穿孔機(jī)參數(shù)調(diào)整。若發(fā)現(xiàn)有鐵耳子,則必須清除后再送軋機(jī)進(jìn)行軋制,避免形成內(nèi)結(jié)疤。

(3)采用無(wú)皮爾格頭軋制,軋后不鋸破頭。軋制過(guò)程控制好喂入量,避免產(chǎn)生內(nèi)竹節(jié)。同時(shí)加強(qiáng)芯棒的潤(rùn)滑,要求潤(rùn)滑劑均勻覆蓋芯棒360°表面。

(4)精整區(qū)鋼管不定徑,軋后快速輸送到冷床冷卻,要求冷床勻速運(yùn)行,避免鋼管冷卻不均造成彎曲,影響后序淬火效果。

5.3 熱處理工藝

5.3.1 熱處理工藝確定

由于鋼管的外徑大,壁厚厚,要求熱處理后鋼管內(nèi)中外的組織、性能必須均勻,因此鋼管的熱處理難度非常大。項(xiàng)目組根據(jù)我公司的裝備情況,并結(jié)合我公司生產(chǎn)大口徑厚壁X70Q PSL2/Q485L和NV E550無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)資料,制定了508機(jī)組淬火工藝:再加熱爐加熱段爐溫按(930±20)℃中上線控制,均熱段按(945±15)℃中上線控制,保出爐管溫(930±10)℃,步進(jìn)周期為13min,冷卻方式為浸淬+內(nèi)軸流,并在淬火后的鋼管取小試樣在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行不同回火工藝實(shí)驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表4。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果,確定回火工藝為:爐溫按(680±10)℃控制,管溫到680℃時(shí)才開(kāi)始計(jì)保溫時(shí)間,升溫時(shí)間270min,保溫時(shí)間280min,出爐空冷。

表4 實(shí)驗(yàn)室不同回火工藝及性能

5.3.2 熱處理主要控制措施

為保證鋼管的淬火效果和回火的穩(wěn)定性,確保鋼管內(nèi)、中、外性能、組織的均勻性,項(xiàng)目組要求采用嚴(yán)格的控制措施,主要包括:

(1)爐內(nèi)以還原氣氛為主,為保證鋼管加熱均勻,鋼管應(yīng)擺放在爐子中間,步進(jìn)梁每隔一定的時(shí)間“踏步”一次。

(2)為避免再加熱爐輸送輥道吸熱造成鋼管溫度低影響淬火效果,要求最后兩個(gè)步進(jìn)梁不布料,鋼管出爐時(shí)采用前進(jìn)三步后退兩步的方式。

(3)淬火時(shí)要求托輥必須旋轉(zhuǎn),托輥轉(zhuǎn)速設(shè)定合理,同時(shí)合理設(shè)計(jì)內(nèi)軸流的打開(kāi)時(shí)間,確保鋼管淬火時(shí)不彎曲且內(nèi)外壁冷卻均勻。

(4)為確保內(nèi)軸流水足夠大,要求三臺(tái)軸流泵都打開(kāi),并要求鋼管離噴嘴有一定的距離,以便軸流水拖拽淬火槽中的水進(jìn)入鋼管內(nèi)孔,加大冷卻速度。

(5)回火時(shí),要求鋼管擺放時(shí)應(yīng)離爐門端大于一定的距離,且鋼管之間應(yīng)留有足夠的間隙。

(6)應(yīng)采用測(cè)溫槍對(duì)室式爐內(nèi)的鋼管進(jìn)行測(cè)溫,只有當(dāng)鋼管的溫度滿足要求時(shí)才開(kāi)始算保溫時(shí)間,并要求間隔一定的時(shí)間,對(duì)鋼管兩端進(jìn)行測(cè)溫,確保爐內(nèi)鋼管加熱的均勻性。

6 產(chǎn)品性能檢驗(yàn)結(jié)果

按相關(guān)技術(shù)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,對(duì)攀成鋼公司生產(chǎn)的405mm×51mm規(guī)格X70Q PSL2自升式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)支撐管用無(wú)縫鋼管進(jìn)行了機(jī)械性能、金相組織及非金屬夾雜物評(píng)級(jí)等技術(shù)指標(biāo)的檢驗(yàn),其檢驗(yàn)結(jié)果如下。

6.1 產(chǎn)品力學(xué)性能

X70Q PSL2鋼管調(diào)質(zhì)后內(nèi)、中、外的屈服強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度、延伸率及-40℃低溫沖擊均值見(jiàn)表5。

6.2 非金屬夾雜物

X70Q PSL2無(wú)縫鋼管非金屬夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

6.3 金相組織

X70Q PSL2調(diào)質(zhì)后內(nèi)中外的金相組織均為回火貝氏體,具體見(jiàn)圖1～3。

表6 X70Q PSL2鋼管高倍情況

圖1 內(nèi)表面

圖2 中部

圖3 外表面

7 結(jié)論

(1)攀成鋼公司采用“電爐+LF精煉+ VD真空精煉+508機(jī)組軋管+調(diào)質(zhì)熱處理”工藝生產(chǎn)的大口徑厚壁X70Q PSL2無(wú)縫鋼管,其鋼質(zhì)純凈、鋼管組織和綜合性能良好,完全能夠滿足海洋鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)支撐管的使用要求。

(2)攀成鋼公司通過(guò)采取嚴(yán)格的熱處理控制措施,保證大口徑厚壁X70Q PSL2無(wú)縫鋼管的淬火效果,其內(nèi)、中、外的性能和組織均勻。

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Development of Large Diameter Thick Wall X70QPSL2 Seamless Steel Pipe for Offshore Platform Structure

LIN Fa-ju,WU Hong,WANG Xi-jiang,CHEN Yu,CHEN Xiao-juan

(Pangang Group Chengdu Steel&Vanadium Co.,Ltd.Chengdu 610303,Sichuan,China)

The vast ocean is rich in resources,countries in the world accelerate the development and utilization of marine resources.As one of the important facilities for the exploitation of offshore oil and gas resources,the structure of the platform,which is a large diameter thick wall high grade steel pipe,is used for the construction of offshore oil and gas resources.In order to reduce the dependence on import,realize the localization,the steel companies according to their own technology and equipment,and according to the marine drilling platform structure supporting pipe's service conditions and characteristics,through the chemical composition design and rolling process,heat treatment process,the successful development of large diameter thick wall X70Q PSL2 seamless steel pipe for offshore drilling platform structure supporting,its comprehensive performance is excellent,fully meet the user's design and use requirements.

marine resources,drilling platform,large diameter thick wall,comprehensive performance

1001-5108(2016)04-0026-06

TG335.71

A

林發(fā)駒,工程師,主要從事無(wú)縫鋼管新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和軋鋼工藝研究等技術(shù)工作。